基本介紹
- 中文名：太陽能空調
- 外文名：solar air conditioning
- 類型：高科技技術
- 技術：太陽能
- 所屬：空調系統
- 優點：環保
背景,科研結果,工作原理,製冷系統,組成,製冷過程,供熱系統,安裝地點概況,主要技術性能,系統設計特點,優點,推廣套用,發展,研究方向,
背景
在全球氣候變暖的環境下，太陽能作為傑出的新能源代表，備受世界各國的青睞。低碳節能潮流之下，以光熱技術為主的太陽能已經套用到各行業，在不斷改善能源結構。隨著國家對太陽能產業的政策扶持，各種利用太陽能技術的製造和套用領域正湧現出蓬勃的商機，一系列太陽能產品正逐漸步入人們的生活。如今各大廠商紛紛推出太陽能空調，使得太陽能空調這個被普遍認為是具有廣闊前景卻又在短期內難以市場化的新型空調機組，再一次受到行業的關注。
在炎炎夏日裡，空調的耗電量幾乎占整個電力系統耗電量的三分之一，這是夏季電力系統不堪重負的原因之一。因此太陽能空調從一開始就具有很大的誘惑力。利用太陽能製冷與一般電力製冷原理相同，只是所用能源不同，因此帶來一些結構上的變化。太陽能製冷的方法有多種，如壓縮式製冷、蒸汽噴射式製冷、吸收式製冷等。
太陽能空調
太陽能空調一般的太陽能熱利用項目，如採暖、熱水等，在需求上其實與太陽能的提供並不完全一致：當天氣越冷、人們越需要溫暖的時候，太陽能量的提供往往不足。從這個角度來看，太陽能空調的套用是最合理的：當太陽輻射越強，天氣越熱的時候，我們需要空調的負荷也越大。這是太陽能空調套用最有利的客觀因素。
當前的太陽能空調技術多種多樣，主要是吸收式製冷和光電轉化電能驅動製冷。比較成熟的技術是溴化鋰——水工質對吸收製冷，如今已經在一些示範工程中有所套用，效果理想。由於太陽能空調的技術種類繁多，成熟度也各有不同，因而其產業化進程緩慢。但是不可否認的是，隨著能源政策對清潔能源的傾斜，太陽能空調的推廣普及前景無限美好。投資太陽能空調項目，占領前期市場將是產業擴大的戰略性決策。
科研結果
該系統的核心是一台名為“Schukey”的電機，能將太陽光轉換成冷空氣。製冷過程中，這種電機1度電只需5美分，而相比較而言，傳統的空調每度電則需要花費12-14美分。Thermodyna 公司老闆Volker Bergholter 表示：“該裝置沒有採用任何電子元件，且幾乎沒有任何元部件。”他將該裝置描述為“簡單至極”。它只需要兩台負責生產冷空氣的發動機結合太陽能電池板。太陽能電池板產生的蒸汽被助推器轉換成為機械能，機械能再用來驅動冷卻機。冷卻機吸收房間中的潮濕的熱空氣，熱空氣經過壓縮和擴展，被冷卻到20攝氏度左右，為房間製冷。
太陽能空調
太陽能空調這種設備最大的優勢在於，在太陽最烈的時候人們最需要製冷，而太陽光能越多，該設備就更容易蒐集到大量能量加以利用。相輔相成的關係能夠更好的滿足消費者的需求。Thermodyna公司計畫能趕在2010年向市場推出第一批太陽能制冷機。
工作原理
製冷原理
所謂太陽能製冷，就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機提供其發生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高，則制冷機的性能係數(亦稱COP)越高，這樣空調系統的製冷效率也越高。例如，若熱媒水溫度60℃左右，則制冷機COP約0~40；若熱媒水溫度90℃左右，則制冷機COP約0~70；若熱媒水溫度120℃左右，則制冷機COP可達110以上。
制熱原理
冬季需制熱時超導太陽能集熱器吸收太陽輻射能，經超導液傳遞到複合超導能量儲存轉換器。當儲熱系統溫度達到40℃時，中央控溫系統，自動發出取暖指令，讓室內冷暖分散系統處於制熱狀態，經出風口輸出熱風。當房間溫度達到設定溫度值時，停止輸出熱風，房間的溫度低於設定值時，出風口又輸出熱風，如此自動循環達到取暖的目的（各房間的溫度設定是獨立的，互相不影響）。如遇到連續的陰天，太陽能不足時，生物質熱能發生器投入使用，以補充太陽能的不足。
製冷系統
組成
太陽能空調製冷系統由於節能、清潔無污染等特點，促使人們不斷深入地對它進行研究。隨著太陽能集熱器和製冷系統的材料、工質、工藝製造、設計等套用技術的不斷改進，太陽能空調製冷裝置的套用將得到廣泛的運用。利用太陽能作為能源的空調裝置，一般可以分成三部分：
其一是太陽能集熱器。集熱器形式多樣，性能各異。集熱器採用真空管型最多，真空管型最基本的種類有三種：熱管式真空集熱管(簡稱熱管)、全玻璃真空集熱管和直通式真空集熱管。熱管式真空集熱管是繼傳統平板式真空集熱管之後開發出的高科技節能產品，它將熱管技術和真空技術融為一體，將太陽能集熱器的工作溫度從70℃提高到120℃以上，大大提高了集熱器的熱性能，是一種溫熱利用的理想產品。
其二是製冷系統。利用低溫熱源作為動力的製冷系統不同於壓縮式製冷系統，它必須能充分利用低溫熱源作為動力這一要求，目前以吸收式製冷技術較為成熟。吸收式製冷採用溴化鋰-水、氨-水等作為工質對，有較好的經濟性，特別是採用溴化鋰-水作為工質對，能滿足對安全性要求很高的空調裝置，是一種較為理想的工質對。
其三是自動化控制系統，即對裝置的各種工作參數進行控制和安全保護的控制系統。以熱管為太陽能集熱管，溴化鋰-水為工質對的吸收式製冷空調系統，不管是作為製冷量大的大型空調，還是作為家用空調都有著現實意義和發展前途，特別是目前人們環境保護意識的提高，對環境的要求越來越高，無污染、低能耗、利用太陽能作為動力的空調將會受到人們的青睞。
製冷過程
當陽光射在真空管內的吸熱片上，熱管內的工質受熱沸騰汽化，蒸汽不斷沖向頂部的冷凝端，在冷凝端冷凝變成液體，冷凝的工質沿管壁流回熱管的蒸發段，完成一個循環。這種在一端吸熱汽化而在另一端凝結放熱，通過內部相變實現熱量傳遞的熱管，習慣稱為重力熱管。熱管的內部沒有吸熱芯，凝結的液體從凝結段回流到蒸發段是依靠凝結液自身的重力，不需要外部動力而自動循環，這就是熱管式真空管的集熱過程。由於熱管是依靠重力使工質循環的，在使用中必須將蒸發段置於凝結段的下方。若蒸發段置於凝結段的上方，重力對凝結液的回流會起阻礙作用，這時沒有動力使凝結液返回到蒸發段，熱管就不能工作。所以熱管也可以稱之為單向傳熱的熱二極體。熱管的這種特性非常適用於太陽能集熱器，它可以將吸收的太陽能熱量傳送至水箱，將水加熱，而反向不可逆。也就是說，白天吸熱，晚上不放熱。這對減少集熱器的熱損失，提高集熱器的保溫性能是十分有益的。
由於熱管主要依靠工質相變時吸收和釋放潛熱以及蒸汽流動傳輸熱量，而大多數工質的汽化潛熱是很大的，因此不需要很大的蒸發量就能傳遞大量的熱。當蒸汽處於飽和狀態，其流動和相變時的溫差很小，而管壁又比較薄，故熱管的表面溫度梯度很小。當熱流密度很低時，可以得到高度等溫的表面，提高導熱係數。熱管的安裝傾角對傳熱性能有一定的影響。
供熱系統
為了將太陽能吸收式空調技術付諸實際套用，根據“九五”國家科技攻關計畫任務，北京市太陽能研究所於1999年9月建成一套我國目前最大的太陽能吸收式空調及供熱綜合示範系統。
安裝地點概況
太陽能空調示範系統建在山東省乳山市。乳山市位於山東半島的東南端，北接煙臺，西臨青島，南瀕黃海。該地區有較好的太陽能資源，年平均日太陽輻照量為173MJ/m2。當地夏季最高氣溫33℃左右，冬季最低氣溫7-8℃，夏季和冬季分別有製冷和採暖的要求，因此是安裝太陽能空調系統的合適地點。
乳山市銀灘旅遊度假區利用本地區自然條件，大力發展旅遊事業，正在籌建“中國新能源科普公園”。科普公園計畫建造包括風能館、太陽能館等在內的8個館、廳。太陽能空調系統就建在科普公園內的太陽能館。
在這裡人們不僅可以參觀太陽能科普展品，增長太陽能科普知識，了解最新的太陽能技術，並且在參觀和娛樂的同時可親身感受到太陽能空調和採暖所營造的舒適環境。
主要技術性能
系統設計特點
（1）太陽能與建築有機結合
整個太陽能館的總體設計即使建築物造型美觀、新穎別致，又能滿足集熱器安裝的要求。依據這個原則，建築物的南立面採用大斜屋頂結構，一則斜面的面積比平面大得多，可以布置更多的集熱器；二則在斜面上布置集熱器時無需考慮前後遮擋問題，而且造型也非常美觀。斜屋頂傾角取35°，與當地緯度接近，有利於集熱器充分發揮作用。
（2）熱管式真空管集熱器提高了製冷和採暖效率
熱管式真空管集熱器是北京市太陽能研究所的一項重大科技成果，具有效率高、耐冰凍、啟動快、保溫好、承壓高、耐熱衝擊、運行可行等諸多優點，是組成高性能太陽能空調系統的重要部件。熱管式真空管集熱器可為高效溴化鋰制冷機提供88℃的熱媒水，從而提高整個系統的製冷效率；這種集熱器還可在北方寒冷的冬季有效地工作，為建築物供暖。
（3）大小兩個儲熱水箱加快了每天製冷或採暖進程
根據一天內太陽輻照度變化的固有特點，儲熱水箱不僅可以使系統穩定運行，還可以把太陽輻照高峰時的多餘能量以熱水形式儲存起來。本系統與一般太陽能空調系統的不同之處在於設定了大、小兩個儲熱水箱。小儲熱水箱主要用於保證系統的快速啟動。測試結果表明，在夏季和冬季晴天的早晨，小儲熱水箱內水溫就能分別達到88℃和60℃，從而滿足製冷和供暖的要求。
（4）專設的儲冷水箱降低了系統的熱量損失
儘管儲熱水箱可以儲存能量，但它的能力畢竟是有限的。本系統專門設計了一個儲冷水箱。在白天太陽輻照充裕的情況下，可以將制冷機產生的冷媒水儲存在儲冷水箱內，其優點在於這種情況下的系統熱量損失顯然要比以熱媒水形式儲存在儲熱水箱中低得多，因為夏季環境溫度與冷媒水溫度之間的溫差要明顯小於熱媒水溫度與環境溫度之間的溫差。
（5）配套的輔助鍋爐使系統可以全天候運行
所有太陽能系統的運行都不可避免地要受到氣候條件的影響。為使系統可以全天候發揮空調、採暖功能，輔助的常規能源是必不可少的。該太陽能空調系統選用了輔助燃油熱水鍋爐，在白天太陽輻照量不足以及夜間需要繼續用冷或用熱時，可隨即啟動輔助鍋爐，確保系統持續穩定地運行。
優點
太陽能空調的季節適應性好，也就是說，系統製冷能力隨著太陽輻射能的增加而增大，而這正好與夏季人們對空調的迫切要求。
傳統的壓縮式制冷機以氟里昂為介質，它對大氣層有極大的破壞作用，而制冷機以無毒、無害的水或溴化鋰為介質，它對保護環境十分有利；
太陽能空調系統可以將夏季製冷、冬季採暖和其它季節提供熱水結合起來，顯著地提高了太陽能系統的利用率和經濟性。
太陽能空調系統可以發揮夏季製冷、冬季採暖、全年提供熱水的綜合優勢，必將取得顯著的經濟、社會和環境效益，具有廣闊的推廣套用前景。
推廣套用
在強調太陽能空調優點的同時，也應看到它存在的局限性因而在推廣套用過程中注意解決這些問題：
（1）雖然太陽能空調開始進入實用化階段，希望使用太陽能空調的用戶不斷增加，但已經實現商品化的產品大都是大型的溴化鋰制冷機，只適用於單位的中央空調。對此，空調製冷界正在積極研究開發各種小型的溴化鋰或氨—水吸收式制冷機，以便與太陽集熱器配套逐步進入家庭；
（2）雖然太陽能空調可以無償利用太陽能資源，但由於自然條件下的太陽輻照度不高，使集熱器採光面積與空調建築面積的配比受到限制，如今只適用於層數不多的建築。對此，我們正在加緊研製可產生水蒸氣的真空管集熱器，以便與蒸氣型吸收式制冷機結合，進一步提高集熱器與空調建築面積的配比；
（3）雖然太陽能空調可以大大減少常規能源的消耗，大幅度降低運行費用，但如今系統的初投資仍然偏高，只適用於有限的富裕用戶。為此，我們正在堅持不懈地降低現有真空管集熱器的成本，使越來越多的單位和家庭具有使用太陽能空調的經濟承受能力。
我們相信，太陽能吸收式空調系統可以發揮夏季製冷、冬季採暖、全年提供熱水的綜合優勢，必將取得顯著的經濟、社會和環境效益，具有廣闊的推廣套用前景。
從理論上講，太陽能空調的實現有兩種方式，一是先實現光-電轉換，再用電力驅動常規壓縮式制冷機進行製冷；二是利用太陽的熱能驅動進行製冷。對於前者，由於大功率太陽能發電技術的昂貴价格，因此，太陽能空調技術一般指熱能驅動的空調技術。當然，廣義上的太陽能空調技術也包括地熱驅動和地下冷源空調技術。
由於技術、成本等原因，太陽能空調一般採用吸收式和吸附式製冷技術。吸收式製冷技術是利用吸收劑的吸收和蒸發特性進行製冷的技術，根據吸收劑的不同，分為氨-水吸收式製冷和溴化鋰-水吸收式製冷兩種。吸附式製冷技術是利用固體吸附劑對製冷劑的吸附作用來製冷，常用的有分子篩-水、活性炭-甲醇吸附式製冷。兩種製冷技術均不採用氟利昂，可以避免對臭氧層的破壞作用，具有特別的意義；並且二者採用較低等級的能源，在節能和環保方面有著光明的前景。另外，吸附式製冷系統運行費用低（或無運行費用），無運動部件，壽命長，無噪聲，尤其在航空、航天等特殊領域廣泛套用。
對於太陽能製冷技術，因為要照顧到集熱器的效率等，就不得不採用比較低的熱源溫度。所以，太陽能驅動的制冷機存在效率較低的問題。隨之而來的，從集熱器、制冷機等相應的成本分配來看，集熱溫度、冷水溫度及冷卻水溫度應各為多少，才能建立一個最為經濟合理的太陽能空調系統，也是尚待解決的課題。另外，由於太陽能的收集存在著時效問題，蓄熱技術也必須得到很好地解決，一個較好的蓄熱系統可以彌補太陽能的不可逆性和間斷性。
發展
1、起步階段（70年代未-80年代初）
在我國，太陽能製冷及空調的研究可以追溯到1975年在貴陽召開全國太陽能會議以後的七十年代後期。1974年中東石油危機發生以後，不少科研機構、高等院校和企業紛紛投入人力和物力研製太陽能製冷（空調）機，其中多數是小型的吸收式製冷試驗樣機。例如：天津大學1975年研製的連續式氨-水吸收式太陽能製冰機，日產冰量可達5.4kg。為北京師範學院（現首都師範學大等）1977年研製成功1.5m2平板型間歇式太陽能製冰機，每天可製冰6.8-8kg；1979年義研製出8m2平板型自動跟蹤連續式太陽能冷藏櫃．華中工學院（現華中理工大學）研製了採光面積為1.5m2，冰櫃容積為70升，以氨-水為工質對的小型太陽能製冷裝置，可維持冰櫃0℃10小時左右。這期間先後有20多個單位開展過工作，積累了寶貴的經驗。
2、堅持階段（80年代中後期-90年代初）
其後，由於當時還有許多技術難題沒有來得及解決，太陽能空調項目因一時難以看到成效而得不到支持，研究的隊伍和規模大大縮小，僅存少數單位仍堅持基礎性研究和樣機試驗，經歷了一段非常困難的時期。在這期間，中科院廣州能源所得到了香港裘槎基金會的資助，堅持進行了太陽能空調系統以及太陽能制冷機的研究，並且取得了重要的進展。
1987年，中國科學院廣州能源研究所與香港理工學院合作在深圳建成了一套科研與實用相結合的示範性太陽能空調與熱水綜合系統，集熱面積共120m2，製冷能力14kw，空調面積為80m2採用了三種中溫集熱器，包括直通式真主管集熱器、熱管型真空管集熱器和V形隔熱膜平板型集熱器。採用兩合日本矢崎公司生產的2噸單級淡化吸收式制冷機。
為了適應太陽能的利用，中國科學院廣州能源所從1982年開始進行了新型熱水型兩級吸收式制冷機的研製並取得了成功，這種新型的制冷機有兩個顯著的特點，一是所要求的熱源溫度低，在65℃以上的範圍內能穩定地運行；二是熱源的利用溫差大，為12-24℃（隨熱源溫度而變）。
3、實用階段（“九五”計畫期間）
直到“九五”計畫期間，太陽能空調的各方麵條件已經成熟，國家科委（現科技部）把“太陽能空調”列為重點科技攻關項目，計畫建成示範性系統，以促進太陽能空調的推廣套用。太陽能空調項目迎來了第二春，太陽能空調的技術水平也上升到一個新的高度。中科院廣州能源所和北京太陽能研究所承擔了該項任務，計畫在南方和北方各建一座大型實用性太陽能空調系統。
研究方向
太陽能空調的研究發展方向
1、產業化
太陽能空調實用性示範系統的建成，證明了太陽能空調技術上是可行的，經濟上也顯示出一定的效益，潛在的市場很大，應當向產業化方向發展。但要實現產業化目標，還有許多工作可做，例如：太陽能空調系統的計算機設計軟體；制冷機商品化、產業化；統一的配套設備和零部件；制定產品（系統）的技術標準；大力開拓市場。
2、研究和開發新的枝術
太陽能空調系統目前普遍採用成熟的淡化吸收式製冷技術。由於造價等方面的原因，制冷機不宜做得太小。所以，採用這種技術的太陽能空調系統適用於中央空調和集中供熱方式，系統需要有一定的規模。而市場對小型的、家用的太陽能空調器卻有更大的需求，事實和經驗告訴我們，只有滿足千家萬戶人民民眾需要的產品，才能形成規模化產業。因此，需要研究和開發小型太陽能空調的新方法、新技術。
3、建築物的熱-電-冷聯供系統
建築用能是一個耗能大戶，其中用於照明、供熱和空調就占了一半以上，太陽能在建築上的套用不僅可以節省能源，更重要的是有利於保護環境。利用太陽能供電、供熱、供冷、照明，最終實現所謂綠色能源的房子，是世界上許多已開發國家的熱門研究課題，也將是21世紀一個套用面很廣、需求量很大的多學科交叉的綜合性課題。這是太陽能利用的一個引人注目的發展趨勢。
隨著我國經濟的發展和人們生活水平的提高，人們對生活環境的要求越來越高，採暖和空調已經是建築物的必要設施。另一方面由於常規能源不斷開採和使用，其儲藏量將不斷地減小，環境污染的問題也越來越嚴峻。因此，利用太陽能供冷和供熱，不僅可以節省電力和常規能源，對環境保護尤其有重要意義。
